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스마트 스피커, 크기가 작다고 소리까지 작을 필요 없다.

스마트 스피커는 날씨 정보 제공은 물론, 음식을 주문하고 좋아하는 음악을 재생하는 등 점점 똑똑해지고 있다. 이러한 가상 비서들의 활용도가 높아짐에 따라 소비자들의 가정에서 눈에 띄지 않게 작아지는 디바이스의 사용이 점점 늘고 있다.

그러나 애석하게도 스피커 크기는 출력 전력과 직접적인 상관성을 갖는다. 스마트 스피커 폼팩터가 축소됨에 따라서 스피커 크기도 작아지고 있다. 스피커 크기가 작아지면 스피커가 발생시킬 수 있는 음압 수준도 낮아진다. 크기가 작아지면 높은 전력을 처리할 수 없기 때문이다. 스피커가 작아지면 소리뿐만 아니라 명료도 또한 낮아지기 때문에 그만큼 최종 사용자의 만족도는 저하된다. 다시 말해 사용자가 실내에서 맞은 편의 스마트 스피커를 명료하게 듣기가 더 어려워 질 수 있다.

그림 1: 맞은편의 스마트 스피커를 명료하게 들을 수 있는가?

선호하는 가격대를 충족하고자 성능이 낮은 작은 스피커를 사용할 수 있다. 소비자들이 점점 더 작고 매력적이며 가격대가 저렴한 스마트 스피커를 선호하게 되면서, 의도치 않게 오디오 출력 레벨과 오디오 품질을 저하시키는 결과를 가져온 것이다. 그러면 점점 더 소형화되는 스피커의 출력 전력을 높이려면 어떻게 해야 하는지 알아보자. (TI의 스마트 스피커 솔루션에 관해 보다 자세한 내용은 클래스 D 스마트 증폭기를 사용함으로써 소형 스피커로 높은 출력 제공 참조)

지금까지 연속 출력 설계 방식은 스피커 성능이 향상되는 것에 따라 오디오 증폭기를 맞춰왔다. 이 방법은 스피커를 손상시키지 않으면서 저주파와 고주파를 발생시킬 수 있을 만큼의 충분한 전력을 제공한다. 하지만 스피커 크기가 작아지면 소리도 작아진다.

이에 대한 한 가지 해결책은 스피커 보호 증폭기를 사용하는 것이다. 그러면 산업용 설계, 스피커 크기 그리고 스피커 비용을 늘릴 필요 없이 음량과 오디오 품질을 높일 수 있다.

그림 2: 스피커 보호 증폭기를 사용함으로써 작은 스피커로 더 큰 소리를 제공할 수 있다.

스마트 스피커는 다른 소비자 가전과 달리, 오디오 포착과 오디오 재생용으로 설계된다. 오디오 재생 시스템에서 가장 중요한 부분은 증폭기가 아닌 스피커이다.

스피커 보호 증폭기는 스피커의 능력을 최대한으로 이끌어내도록 전기 신호를 실시간으로 조절함으로써 스피커 성능을 향상시킨다. 오디오 스피커는 일종의 모터로서, 전기를 자기적으로 발생되는 움직임으로 변환함으로써 스피커 다이어프램을 앞뒤로 빠르게 움직여 가청음을 만들어낸다.

스피커는 저주파수일 때는 공기를 움직이고 고주파수일 때는 열을 발생시킨다. 하지만 어느 것이든 너무 과도하면 손상을 입힌다. 저주파수일 때 피해야 할 것이 오버 익스커션(over excursion)이다. 이것은 스피커의 음성 코일이 앞뒤로 너무 멀리까지 움직임으로써 스스로와 스피커 다이어프램을 손상시키는 것이다. 고주파수일 때는 전기를 빠른 움직임으로 변환할 때 과도한 열을 발생시킴으로써 스피커를 손상시킬 수 있다. 과도한 열은 모든 종류의 손상을 일으키는 원인이 된다. 스피커의 접착제가 녹는 문제가 발생해서 구조적 결함을 초래할 수 있고 음성 코일의 자석을 탈자화시킬 수 있다. 음성 코일이 과열되면 덜 순응적이게 된다.

손상을 일으키지 않으면서 성능을 향상시키기 위해서 스피커 보호 증폭기는 스피커 모델과 정교한 신호 분석을 사용해서 순간적으로 스피커 공칭 정격의 최고 5배까지 이르는 피크 전력을 제공할 수 있다. 이러한 알고리즘이 스피커로 피크 전력을 인가하면 출력을 9dB~12dB 높일 수 있다. 그러면 동일한 스피커로 통상적인 증폭기를 사용할 때보다 2~3배 더 큰 소리를 제공할 수 있다. 그림 3은 통상적인 스마트 스피커로 주파수 응답이 어떻게 향상되는지 보여준다. 스마트 증폭기 튜닝 가이드에서는 스피커 보호 알고리즘의 작동 원리에 대해서 설명하고 있다.

그림 3: 스피커 보호 증폭기를 사용하면 기존 증폭기에 비해서 소리 크기를 2배로 높일 수 있다.

또한 알고리즘을 사용해서 공칭 출력일 때와 높은 출력일 때 스피커 주파수 응답에 대한 문제를 보정할 수 있으므로 오디오 품질과 명료도는 향상될 수 있다.

스피커 보호 증폭기는 수백만 대의 스마트폰, 써모스탯, 랩탑 컴퓨터에 사용되고 있는 검증된 기술이다.